周中1 姜龍1
江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰，214405）
1 智能電網(wǎng)用戶端涵義
智能電網(wǎng)是當前國際國內(nèi)新技術和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱點。國家電網(wǎng)公司正在建設全國統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，其基本特征是電力系統(tǒng)的運營實現(xiàn)信息化、自動化、互動化和市場化，真正實現(xiàn)電能的高效利用。
根據(jù)智能電網(wǎng)研究框架體系，智能電網(wǎng)建設主要抓住發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六個環(huán)節(jié)。“配用電”環(huán)節(jié)即為電網(wǎng)的用戶端，按用戶屬性來分主要有三類：建筑樓宇，如賓館、商場、體育館、學校、寫字樓、政府機關等；工礦企業(yè)，如冶金、造紙、輕紡、機械、電子、煤礦等；基礎設施，如機場、港口、鐵路、公路、水利等。用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，抓電網(wǎng)用戶端智能化建設，對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要意義。用戶端環(huán)節(jié)建設內(nèi)容主要為：構建智能用電服務體系；全面推廣應用智能電表、智能用電管理終端等智能設備；實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向互動，提升用戶服務質量；建設智能用電小區(qū)和電動汽車充電站。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電系統(tǒng)、需求側管理等課題。
2 能源管理系統(tǒng)構架及目標
智能電網(wǎng)用戶端從用戶側一端來討論配電和用電系統(tǒng)的智能化和信息化，其范圍指電力公司計費電表出口以下，從電力變壓器到用電設備之間，對電能進行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統(tǒng)。
隨著科學技術的發(fā)展以及人民物質生活水平的提高，用電設備如電梯、水泵、照明、空調系統(tǒng)、家用電器等越來越多，用電負荷快速增長，設備的能效提高以及不同設備之間的匹配需要科學的管理，用戶端的能源管理因此受到越來越多的關注。
一般的智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)主要包括三方面的內(nèi)容：計算機管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、傳感（計量）元件。傳感（計量）元件采集各種電量數(shù)據(jù)并通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)接嬎銠C管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)將分布采集的數(shù)據(jù)匯總、分析、報表等，出現(xiàn)故障狀況時根據(jù)預先設定的條件進行預警、報警甚至自動完成某些操作功能。高級的管理系統(tǒng)還包含智能控制設備，能自動檢測電網(wǎng)及用電設備的各種情況并據(jù)此對有關負荷進行自動控制，包括對儲能設備、可再生能源設備的控制。見圖1。
建設智能電網(wǎng)用戶端能源管理系統(tǒng)有三個目標：
（1）電能監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化：對用電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特別是重點耗能設備用電情況進行實時檢測計量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等，發(fā)現(xiàn)電能使用不合理之處，通過人工干預或自動控制的方法進行改進，優(yōu)化用能設備，提高電能的使用效率。
?。?）用戶端與電網(wǎng)公司管理系統(tǒng)的互動：在智能電網(wǎng)中，電網(wǎng)公司為提高電力設施的負荷率要求用戶端某些設備能夠需求響應，其使用能夠盡量避開用電高峰而在用電低谷時使用，幫助電網(wǎng)削峰填谷。
（3）管理分布式能源設備的接入：用戶端儲能設備、電動汽車以及可再生能源設備接入電網(wǎng)可能對電網(wǎng)產(chǎn)生重大沖擊，這些設備也可能將電能輸送的電網(wǎng)，所以需要一個很好的能源管理系統(tǒng)進行管理。
3 用戶端能源管理系統(tǒng)功能
3.1 主控制系統(tǒng)功能
主控制系統(tǒng)作為專家決策系統(tǒng)，是一個SCADA軟件，將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，并根據(jù)各種不同的情況決定各個子系統(tǒng)的控制。
3.2 配電監(jiān)控子系統(tǒng)功能
它由多種獨立的功能模塊組成，包括保護設備定值在線管理、事件報警管理、錄波數(shù)據(jù)管理等。
配電監(jiān)控子系統(tǒng)采集和處理的基本數(shù)據(jù)：模擬量（遙測）包括功率、電流、電壓、變壓器溫度、系統(tǒng)頻率等。數(shù)字量（遙信）包括開關位置信號、事故信號、微機保護信號、以及設備工作狀態(tài)等。
3.3 智能表計子系統(tǒng)功能
智能表計子系統(tǒng)（見圖2）能夠海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲與共享；企業(yè)用能實時監(jiān)控、分析和報表系統(tǒng)，故障報警和快速定位；用戶端電網(wǎng)諧波檢測和分析；能耗監(jiān)測、分析、評估，能耗分項計算以及碳排放計算；根據(jù)電力公司的需量限制對實際用電負荷進行預警和控制。通過智能表計實現(xiàn)智能電網(wǎng)中“雙向”互功功能，智能儀表通過網(wǎng)絡通訊設備實時通訊，提供用戶的能源需求數(shù)據(jù)給智能電網(wǎng)，同時將智能電網(wǎng)的不同時間段的電能信息傳遞給用戶端，讓用戶直接選擇電能消費。
3.4 設備監(jiān)控子系統(tǒng)功能
設備監(jiān)控子系統(tǒng)既是一個設備監(jiān)控子系統(tǒng)，又是一個可以自成體系、記錄各種能量變化并可實現(xiàn)互動控制的高級用戶能源管理系統(tǒng)。管理中心通過網(wǎng)絡連接多個分中心，每個分中心管理連接當?shù)氐倪@部分設備，通過能源管理控制器、電表、智能開關、繼電保護裝置和各種智能控制器實時采集主要耗能、儲能或生產(chǎn)能源設備的信息，對數(shù)據(jù)進行加工處理，根據(jù)能源控制中心下達給分中心的要求，調節(jié)每個設備的運行狀態(tài)，能源的消費和生產(chǎn)。
3.5 智能家居子系統(tǒng)功能
智能家居是目前智能電網(wǎng)比較關注的領域之一。智能電表與智能家居有機結合才能更科學合理地控制家居內(nèi)的家電設備，實現(xiàn)需求響應、削峰填谷、節(jié)能減排功能。
3.6 儲能設備、分布式能源設備、汽車充電設備監(jiān)控技術
分別研究低壓側（380V/220V）儲能設備、分布式能源設備和汽車充電設備在上位機系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式和管理方法。
4 關鍵技術
1）配電系統(tǒng)數(shù)字化網(wǎng)絡化控制技術：以變電站為基本單元，收錄電網(wǎng)重要信息，只有少量信息向網(wǎng)絡發(fā)送,網(wǎng)絡效率高；IP地址管理，各部分設備可以實現(xiàn)區(qū)域管理；底層的設備在網(wǎng)絡中具有獨立的通信功能，上位監(jiān)控PC可以直接遠程讀取底層設備信息以及事件數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)等，可遠程讀取和修改其整定參數(shù)等；上位監(jiān)控PC可以遠程配置網(wǎng)絡中的節(jié)點，增加或減少設備節(jié)點。
2)電表雙向實時電價計費技術：包括有功電能和無功電能計量；分時計量、最大需量測量；實時監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài)、電能質量和環(huán)境參量等;信息與數(shù)據(jù)的存貯、調用、輸出和顯示，電價方案顯示；雙向通信，可實現(xiàn)遠程管理，能提供互動性服務，可對戶內(nèi)主要電器進行用電信息采集與控制；對電能雙向計費。
3)網(wǎng)絡化可編程控制技術：包括系統(tǒng)的現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議規(guī)范研究與實現(xiàn)；指令編譯器、程序解釋運行器、高速總線技術；控制與通信集成技術。
4)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸通信技術：研究智能電器和智能電表的通信技術，不同通信協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉換技術、以及有線網(wǎng)與無線網(wǎng)交叉融合技術；
5)用戶端海量數(shù)據(jù)融合及并行計算處理技術：研究海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲與共享機制；
6)商用樓宇和工礦企業(yè)節(jié)電運營技術：研究能耗監(jiān)測和分析、評估方法、碳排放參數(shù)計算；
7)管理和控制的一體化技術：研究企業(yè)用能實時監(jiān)控、分析和報表系統(tǒng)，具有故障報警和快速定位功能；
8)電能質量測控技術：研究用戶端電網(wǎng)諧波檢測和分析方法，實現(xiàn)電能質量檢測；
9)電網(wǎng)側與用戶端之間的互動技術：研究進戶電表與用戶能源管理系統(tǒng)的互動、主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的信息互動技術。
5 案例應用
5.1 上海世博村項目A地塊VIP生活樓EMS
世博村A地塊VIP生活樓是2010年上海世博會配套的唯一一家超五星級酒店，見圖3。
該酒店落成后將成為整個世博會的至高點，達108米，同時也是整個世博工程中最早開工，最早竣工、投入使用的項目。系統(tǒng)采用Acrel-3000型電能管理系統(tǒng)，完成了生活樓變電所、柴油發(fā)電機房、冷凍機房、生活泵消防泵房及樓層動力箱、電源雙切供電系統(tǒng)所有電氣設備遠程監(jiān)測。
整個系統(tǒng)采用網(wǎng)絡分布式結構，監(jiān)控主機位于地下一層變電所值班室內(nèi)，各變電所配電柜內(nèi)安裝有ACR230ELH、ACR220EFLK儀表共計200臺。系統(tǒng)采用開放的通訊協(xié)議，通過現(xiàn)場總線與高低壓配電系統(tǒng)、變壓器溫控裝置、發(fā)電機的智能接口、ATSE及EPS等相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。同時監(jiān)視系統(tǒng)提供標準的RS485接口向上連接到BMS系統(tǒng)。
5.2 廣州亞運會開/閉幕式臨時配電中心
2010年第16屆廣州亞運會開/閉幕式在海心沙島隆重舉行(見圖4)，當晚整個島內(nèi)的供電由現(xiàn)場發(fā)電以及廣州市供電局供電兩部分組成，整個配電設施全部位于舞臺下方的地下空間，包括四個配電區(qū)域，所有涉及表演、噴泉、音響等重要回路全部由現(xiàn)場發(fā)電機供電，其余看臺、照明等由廣州市供電局供電。系統(tǒng)采用Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)，完成了四個配電區(qū)域所有配電房內(nèi)包括10kV高壓配電柜、直流屏、0.4kV低壓配電柜、發(fā)電機、變壓器等所有電氣設備的數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控管理.
圖4 廣州亞運會海心沙島
5.3 某工廠屋頂光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)
2010年承接的上海某公司屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備進行實時監(jiān)測和控制，通過各種樣式的圖表及數(shù)據(jù)快速掌握電站的運行情況，其友好的用戶界面、強大的分析功能、完善的故障報警確保了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的完全可靠和穩(wěn)定運行。見圖5。
圖5 某工廠光伏監(jiān)控系統(tǒng)
系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：實時監(jiān)測太陽能電池板的電壓、電流及其運行狀況；防雷器狀態(tài)、斷路器狀態(tài)采集與顯示；實時監(jiān)控逆變器工作狀態(tài)，監(jiān)測其故障信息；系統(tǒng)詳細運行參數(shù)顯示；故障記錄及報警；具有電量累計、系統(tǒng)分析、歷史記錄功能；簡單易用的參數(shù)設置功能；系統(tǒng)輸出電流、電壓，瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量，CO2、SO2減排量。
6 需求與市場前景分析
用戶端能源管理系統(tǒng)作為一個新興產(chǎn)業(yè)，其需求與市場前景與下列因素有關：（1）智能電網(wǎng)的推進與用戶端的電力配電系統(tǒng)智能化需求；（2）工礦企業(yè)與建筑樓宇的節(jié)能減排；（3）新能源、新行業(yè)的發(fā)展需求；等等。
6.1用戶端的電力配電系統(tǒng)智能化需求及智能電網(wǎng)的推進
目前，電的生產(chǎn)、傳輸及高端用戶，如電信、銀行、石化等大用戶配電正在實現(xiàn)信息化、智能化。隨著智能電網(wǎng)的推進，電的生產(chǎn)、傳輸與使用將信息互通，智能電力儀表將是各個電網(wǎng)環(huán)節(jié)的信息“傳感器”，使智能電網(wǎng)下的電器設備信息“物物相聯(lián)”。因此，能源管理系統(tǒng)將隨用戶端配電智能化的普級而市場容量逐步擴大。
6.2 工礦企業(yè)與建筑樓宇的節(jié)能減排
國務院各部委以及地方政府，把節(jié)能減排作為重點工作之一進行推進與落實。要求高能耗企業(yè)通過建立能源管理體系，采取降耗技術與措施，提高用能效率。為此，工礦企業(yè)實施合同能源管理，政府機關和大型公建實施能耗監(jiān)測（見建科[2008]114號文），電能作為最主要的能源，用戶端用能大戶都應建立電能計量管理體系。因此，用于企業(yè)內(nèi)部管理的智能電能管理系統(tǒng)將隨節(jié)能政策的推進而增加。
6.3新能源、新行業(yè)的發(fā)展需求
隨著社會的發(fā)展，對核電、水電、光能、風能等新能源的需求逐步擴大，以減少對不可再生能源的依賴。新能源的發(fā)展，也需要安裝監(jiān)控系統(tǒng)，提高新能源的發(fā)電能效。另外，隨著社會進步，對人生命安全的保障也越來越重視，為了安全用電，國家發(fā)布了多項設計規(guī)范，如JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》，GB50016-2006《建筑設計防火規(guī)范》等等，規(guī)定對劇院、商場、展覽館、醫(yī)院、電信樓、廣播臺、高層建筑等人員密集或重要場所要加裝剩余電流式火災監(jiān)控裝置，建立電氣安全監(jiān)視系統(tǒng)，防止漏電引起的火災。